Òptica

De Viquipèdia
Dreceres ràpides: navegació, cerca
Funcionament d'uns binocles
1 - Objective
2-3 - Porro prisms
4 Eyepiece

L'òptica és la part de la física que estudia el comportament de la llum des que és generada per una font lluminosa fins que és detectada pels detectors de llum. És a dir, es fixa en com es crea, com es mou pels diferents medis i quins aparells cal utilitzar per detectar-la de la millor manera possible. Depenent del fenomen que siga matèria d'estudi, del nivell d'aproximació que calgui i de la mesura dels obstacles que trobe a la seua trajectòria, l'òptica usarà uns formalismes o uns altres.

Així es pot distingir l'òptica clàssica, que estudia la llum com si fos una ona, es basa en la teoria electromagnètica de la llum. Quan la llum travessa escletxes de mesura microscòpica es pot estudiar mitjançant l'òptica geomètrica. Quan els fenòmens que són estudiats no entren dins del camp de l'electromagnetisme clàssic, perquè les mesures dels objectes i els sistemes que s'estudien són d'escala atòmica, s'ha de cercar una altra òptica per explicar-los adequadament; aquesta nova classe d'òptica és coneguda com a òptica quàntica.

Els principis de l'òptica són utilitzats per a construir dispositius que ens permeten una millor visió en circumstàncies concretes com ara;

Teories científiques[modifica | modifica el codi]

Des del punt de vista física, la llum és una ona electromagnètica. Segons els model utilitzat per la llum, es distingeix entre les següents "rames", per ordre creixent de precisió:

  • L'òptica geomètrica: Tracta la llum com un conjunt de raigs que compleixen el principi de Fermat. S'utilitza en l'estudi de la transmissió de la llum per medis homogenis (miralls, ...), la reflexió i la refracció.
  • L'òptica electromagnètica o òptica física: Considera a la llum com una ona electromagnètica, explicant d'aquesta manera la difracció, interferència reflectància i transmitància, i els fenòmens de la polarització i l'anisotropia.
  • L'òptica quàntica: Estudi quàntic de la interacció entre les ones electromagnètiques i la matèria, on la dualitat ona-corpuscle té un paper important.

Espectre electromagnètic[modifica | modifica el codi]

L'òptica es va iniciar com una ramificació de la física diferent de l'electromagnetisme. En l'actualitat se sap que la llum visible prové de l'espectre electromagnètic, que és el conjunt de totes les freqüències de vibració de les ones electromagnètiques. Els colors visibles per l'ull humà s'agrupen a la part de "l'espectre visible".

L'espectre electromagnètic, amb la part visible ressaltada


Desenvolupament històric[modifica | modifica el codi]

L'òptica geomètrica en l'Edat antiga coneixia la propagació rectilínia de la llum, la reflexió i la refracció. Dos filòsofs i matemàtics grecs varen escriure un tractat sobre òptica: Empèdocles i Euclides.

A l'edat moderna René Descartes considerava la llum com una ona de pressió transmesa a través d'un medi elàstic perfecte (l'èter) que omplia l'espai. Atribuint els diferents colors a moviments rotatoris de diferents velocitats de les partícules en el medi. La llei de la refracció va ser descoberta experimentalment el 1621 per Willebrord Snel van Royen. El 1657 Pierre de Fermat anuncià el principi del temps mínim i a partir d'ell deduí la llei de la refracció.

En la refracció el raig de llum que es travessa d'un mitjà transparent a un altre, es denomina raig incident, el raig de llum que es desvia en reingressar al segon medi transparent s'anomena raig refractat, l'angle en que el raig incident, en ingressar al segon medi, forma amb la perpendicular a aquest mateix, s'anomena angle d'incidència, l'angle que el raig incident forma amb el raig refractat, en desviar-se, s'anomena angle de refracció.

Òptica moderna[modifica | modifica el codi]

L'òptica moderna abasta les regions de la ciència i l'enginyeria òptica que es va fer popular al segle XX. Aquestes àrees de la ciència òptica normalment es refereixen a l'electromagnètica o les propietats quàntiques de la llum, però s'inclouen altres temes. Un subcamp important de l'òptica moderna, l'òptica quàntica, en concret s'ocupa de les propietats mecàniques a nivell quàntic de la llum. Es va començar a estudiar el 1899 de la mà de Max Planck, amb la seva deducció de la radiació del cos negre, assumint que l'intercanvi d'energia entre la llum i la matèria només es produïa en quantitats discretes. L'estudi d'aquest tema va anar avançant i no es va quedar només en teoria. En l'actualitat, alguns dispositius moderns com el làser, els seus principis de funcionament depenen de la mecànica quàntica. Els detectors de llum, com fotomultiplicadors i electromultiplicadors, responen a fotons individuals. Els sensors electrònics d'imatge, com ara CCD. Els díodes emissors de llum i les cèl·lules fotovoltaiques no es poden entendre sense la mecànica quàntica. En l'estudi d'aquests dispositius, l'òptica quàntica sovint se superposa amb l'electrònica quàntica.


Llei de Snell[modifica | modifica el codi]

La llei de Snell és una fórmula simple utilitzada per calcular l'angle de refracció de la llum en travessar la superfície de separació entre dos medis de propagació de la llum (o qualsevol ona electromagnètica) amb índex de refracció diferent. El nom prové del seu descobridor, el matemàtic holandès Willebrord Snel van Royen (1580-1626). Li van posar "Snell" a causa del seu cognom però li van posar duess "l" pel seu nom Willebrord el qual porta dues "l". La llei de Snell és molt utilitzada en molts casos. La mateixa afirma que el producte de l'índex de refracció per el si de l'angle d'incidència és constant per a qualsevol raig de llum incidint sobre la superfície separatiu de dos mitjans. Encara que la llei de Snell va ser formulada per explicar els fenòmens de refracció de la llum es pot aplicar a tot tipus d'ones travessant una superfície de separació entre dos medis en els quals la velocitat de propagació de l'ona variï.

Reflexió i refracció[modifica | modifica el codi]

((AP | Òptica geomètrica)) A la Edat Antiga es coneixia la propagació rectilínia de la llum i la reflexió i refracció. Dos filòsofs i matemàtics grecs van escriure tractats sobre òptica: Empèdocles i Euclides.

Ja en l'edat moderna René Descartes considerava la llum com una ona de pressió transmesa a través d'un medi elàstic perfecte (l'èter) que omplia l'espai. Atribuir els diferents colors a moviments rotatoris de diferents velocitats de les partícules en el medi.

La llei de la refracció va ser descoberta experimentalment el 1621 per Willebrord Snel. El 1657 Pierre de Fermat anunciar el principi del temps mínim i ha partir d'ell va deduir la llei de la refracció.

En la refracció el raig de llum que es travessa d'un mitjà transparent a un altre, es denomina raig incident, el raig de llum que es desvia en ingressar al segon medi transparent s'anomena raig refractat, l'angle en que el raig incident, en ingressar al segon mitjà, forma amb la perpendicular a aquest, s'anomena angle d'incidència, l'angle que el raig incident forma amb el raig refractat, en desviar, s'anomena angle de refracció


Interferència i difracció[modifica | modifica el codi]

Robert Boyle i Robert Hooke i a dita teoria la proposà Isaac Newton, els altres varen descobrir, de manera independent, el fenomen de la interferència coneguda com a anells de Newton. Hooke també observà la presència de llum en l'ombra geomètrica, degut a la difracció, fenomen el qual va ser descobert per Francesco Maria Grimaldi. Hooke pensava que la llum consistia en vibracions propagades instantàniament a gran velocitat i pensava que en un medi homogeni cada vibració generava una esfera que creixia de forma regular. Amb aquestes idees, Hooke intentà explicar el fenomen de la refracció i interpretar els colors. Encara que els estudis que aclarien les propietats dels colors vara ser desenvolupats per Newton que va descubrir el 1666 que la llum blanca pot dividir-se en els seus colors components mitjançant un prisma i trobà que cada color pur es caracteritza per una refractabilitat específica. Les dificultats que la teoria ondulatòria es trobava per explicar la propagació rectilínia de la llum i la polarització (descoberta per Huygens) portaren a Newton a inclinar-se per la teoria corpuscular, que suposa que la llum es propaga des dels cossos lluminosos en forma de partícules.

En l'època en què Newton va publicar la seva teoria del color, no es coneixia si la llum es propagava instantàniament o no. El descobriment de la velocitat finita de la llum el va realitzar el 1675 Olaf Roemer a partir d'observacions dels eclipsis de Júpiter.

Les ones lluminoses com ones electromagnètiques[modifica | modifica el codi]

Mentrestant, les investigacions en electricitat i magnetisme es desenvolupaven culminant en els descobriments de Michael Faraday. James Clerk Maxwell va aconseguir resumir tot el coneixement previ en aquest camp en un sistema d'equacions que establien la possibilitat d'ones electromagnètiques amb una velocitat que podia calcular a partir dels resultats de mesures elèctriques i magnètiques. Quan Rudolph Kohlrausch i Wilhelm Weber van realitzar aquestes mesures, la velocitat obtinguda resultar coincidir amb la velocitat de la llum. Això va portar a Maxwell a especular que les ones lluminoses eren electromagnètiques, el que es va verificar experimentalment el 1888 per Heinrich Hertz.


Instruments òptics[modifica | modifica el codi]

Les lents individuals tenen una varietat d'aplicacions incloses en fotografia, lents de correcció i lents d'augment mentre que els miralls són utilitzats en reflectors parabòlics i retrovisors. Combinant miralls, prismes i lents apareixen instruments òptics amb usos molt pràctics. Per exemple, un periscopi està format per dos miralls alineats de tal forma que permeten veure a través d'obstruccions. Els instruments òptics més famosos en la ciència són el microscopi i el telescopi

Vegeu també[modifica | modifica el codi]

Enllaços Relacionats[modifica | modifica el codi]